[发明专利]利用生物质催化热解所得生物油制备的碳材料及其方法

说明书

本发明提供了利用生物质催化热解所得生物油制备的碳材料及其方法，包括以下步骤：制备改性海藻炭：将海藻热解碳化得到海藻炭，将海藻炭与一种或多种化学活化剂混合，在高温下进行活化，收集并洗涤至中性、干燥处理后即得改性海藻炭；催化热解生物质制备生物油：用所述改性海藻炭异位催化快速热解生物质，收集热解过程中产生得生物油；干馏生物油：将收集到的所述生物油加入弱碱性试剂调节酸性，低温干馏处理分离出轻质生物油和重质组分；高温富氮热解碳化：将干馏分离得到的所述重质组分在富氮热解条件下慢速升温碳化制备得到氮掺杂的碳材料。该碳材料，具有非常优秀的比电容，可用于制备杂原子掺杂碳的电极材料，从而提高超级电容器的能量密度。

技术领域

本发明属于生物质资源化利用领域，尤其涉及一种利用生物质催化热解所得生物油制备的碳材料及其方法。

背景技术

生物质热解技术为生物质废弃物的无害化处理提供了广阔的前景，作为一种可再生可持续的燃烧和石化替代品，它可能有助于补偿化石燃料储备的消耗。然而现阶段却由于反应产物的低品质，如生物油含氧/酸量高、不凝气热值低等，该方法难以广泛应用于工业生产。目前，国内外许多研究者致力于提升热解反应产物能量品质工艺条件及方法的研究，其中催化热解被认为是最具有潜力的方法。由于催化热解产生的生物油富含大量含氧化合物，包括酸、酮、醛、酚、酯、糖和呋喃，从而导致其热稳定性较差，并具有较强的结焦倾向，易形成焦炭。在生物油催化提质过程中，产生的焦炭不仅会沉积在催化剂表面，使催化剂失活，影响提质过程的持续进行，降低生物油中有机组分的利用率；也会在管壁结焦，造成管道的阻塞损坏设备。显然，将生物油直接用于催化提质并不是最优的选择。此外，目前国内超级电容器面临着能量密度低的难题，急需对制备超级电容器的碳材料做出改进，提升碳材料赝电容特性，提高其能量密度。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种利用生物质催化热解所得生物油制备的碳材料及其方法，该方法利用改性海藻炭催化热解生物质所得生物油干馏分离重质组分制备碳材料，将海藻炭经过化学活化剂活化后作为催化剂催化热解生物质，将所得生物油低温干馏分离出轻质组分和易于结焦的重质组分，并进一步将重质组分进行高温富氮气氛下热解碳化制备高活性功能碳材料，具有优秀的比电容，可用于制备杂原子掺杂碳的电极材料，从而提高超级电容器的能量密度。

本发明的技术方案是：

一种利用生物质催化热解所得生物油制备碳材料的方法，包含以下步骤：

制备改性海藻炭：将海藻热解碳化得到海藻炭，将海藻炭与一种或多种化学活化剂混合，在高温下进行活化，收集并洗涤至中性、干燥处理后即得改性海藻炭；

催化热解生物质制备生物油：用所述改性海藻炭异位催化快速热解生物质，收集热解过程中产生得生物油；

干馏生物油：将收集到的所述生物油加入弱碱性试剂调节酸性，低温干馏处理分离出轻质生物油和重质组分；

高温富氮热解碳化：将干馏分离得到的所述重质组分在富氮热解条件下慢速升温碳化制备得到氮掺杂的碳材料。

上述方案中，所述化学活化剂为NaOH、KOH、NaHCO₃、KHCO₃中的一种或多种的组合。

上述方案中，所述海藻热解碳化为在热解釜中慢速热解碳化，目标温度为450℃～550℃，升温速率为5℃/min～10℃/min。

上述方案中，所述制备改性海藻炭方法为将海藻炭与化学活化剂以2：1混合研磨，加入适量去离子水，在磁力搅拌2h后干燥，在热解反应釜中慢速活化。

进一步的，所述活化的目标温度为700℃～900℃，升温速率为5℃/min～10℃/min，达到目标温度后保持1h。